王海龍,王剛,陳曦,王立權(quán),靳勵(lì)行

(1.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,150001,哈爾濱;2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150001,哈爾濱; 3.黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,150001,哈爾濱)

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仿海蟹機(jī)器人游泳足水動(dòng)力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)研究

王海龍1,王剛2,陳曦3,王立權(quán)1,靳勵(lì)行1

(1.哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,150001,哈爾濱;2.哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,150001,哈爾濱; 3.黑龍江工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,150001,哈爾濱)

以生物梭子蟹為仿生原型,提出一種足槳耦合驅(qū)動(dòng)仿海蟹機(jī)器人。該機(jī)器人采用三對(duì)步行足和一對(duì)游泳足的結(jié)構(gòu)形式,基于爬行推進(jìn)與拍動(dòng)翼復(fù)合推進(jìn)的方式,兼具形態(tài)仿生和功能仿生的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)水下行走與水中浮游的雙重功能。通過對(duì)游泳足推進(jìn)方式進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明:升力模式推進(jìn)在水翼上揮和下拍過程中均產(chǎn)生正推力,推進(jìn)效率相對(duì)較高;隨著拍動(dòng)幅度的增加,平均推力和推進(jìn)效率都明顯降低;推進(jìn)效率與拍動(dòng)頻率呈拋物線關(guān)系;當(dāng)斯特勞哈爾數(shù)Sr在0.4～0.6范圍內(nèi)時(shí),升力模式的推進(jìn)效率最大,當(dāng)Sr在0.8～1.0范圍內(nèi)時(shí),阻力模式的推進(jìn)效率最高,兩者所對(duì)應(yīng)的尾渦脫瀉均呈反卡門渦街形式;游泳足水翼的厚度對(duì)水動(dòng)力性能也有影響,相對(duì)薄的水翼不僅能增加平均推力,還能降低系統(tǒng)的總能耗,因此更適合推進(jìn)。

仿海蟹機(jī)器人;游泳足;水動(dòng)力性能;游動(dòng)模式

近年來,由于海洋開發(fā)和軍事領(lǐng)域需求的增加,人類研制出了多種無人水下航行器,盡管它們的操縱方式和用處不同,但其推進(jìn)系統(tǒng)通常由多個(gè)螺旋槳組成,這樣的系統(tǒng)通常具有較大的體積和質(zhì)量,往往會(huì)消耗更多的能量[1]。另一方面,許多水下生物具有高效率、靈活的游動(dòng)能力和準(zhǔn)確的定位能力,因此可將仿生推進(jìn)應(yīng)用到無人水下航行器上[2]。目前,已研制出的仿生水下航行器按照其所模仿水下生物推進(jìn)方式不同可分為仿魚鰭擺動(dòng)推進(jìn)、仿烏賊噴射推進(jìn)、仿多足動(dòng)物爬行推進(jìn)、仿蠕蟲蠕動(dòng)推進(jìn)和仿海龜水翼法推進(jìn)等[3-7]。

三疣梭子蟹是一種具有優(yōu)越水下推進(jìn)能力的淺灘螃蟹,主要棲息于近海沿岸水深7～100 m的淤泥、砂泥底的石頭下或水草中,它們通常利用槳形游泳足在水中游動(dòng),用前3對(duì)步足的指節(jié)在水底緩慢爬行。該生物兼具了海底爬行和水中浮游雙重推進(jìn)方式,具有良好的海浪、海流適應(yīng)能力,特別適合在復(fù)雜水底地貌、淺灘、強(qiáng)對(duì)流等區(qū)域活動(dòng)[8-10]。本研究擬以梭子蟹作為仿生原型,將爬行推進(jìn)技術(shù)與拍動(dòng)翼技術(shù)相融合,設(shè)計(jì)具有足槳耦合驅(qū)動(dòng)仿海蟹機(jī)器人,使機(jī)器人具備海底爬行和水中浮游雙重特性,能夠根據(jù)淺灘地貌環(huán)境和作業(yè)任務(wù)需求自主選擇運(yùn)動(dòng)方式。將這種推進(jìn)方式應(yīng)用于無人水下航行器中,為豐富無人航行器推進(jìn)方式,提供一種新思路和選擇。目前,關(guān)于類似螃蟹和水生昆蟲這種甲殼類二級(jí)水生動(dòng)物利用游泳足水下推進(jìn)的研究還比較少。但使用魚類的胸鰭(MPF)和海龜?shù)囊頎钋爸珜?shí)現(xiàn)水下推進(jìn)的技術(shù)得到了廣泛的研究,其水動(dòng)力學(xué)性能、數(shù)值計(jì)算、運(yùn)動(dòng)機(jī)理均可應(yīng)用在仿海蟹機(jī)器人水下推進(jìn)理論研究中。

海蟹的游泳足與步行足結(jié)構(gòu)類似,都包含6個(gè)骨節(jié),多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)決定了其運(yùn)動(dòng)方式的多樣性,而且每種游動(dòng)模式下表現(xiàn)出的水動(dòng)力學(xué)特性也不相同,因此需要對(duì)游泳足在不同種運(yùn)動(dòng)模式下的水動(dòng)力性能進(jìn)行詳細(xì)研究,才能獲得最佳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。文獻(xiàn)[11]將多運(yùn)動(dòng)模式的魚類胸鰭擺動(dòng)分成類似昆蟲翅膀上下?lián)鋭?dòng)的升力模式和前后揮拍的阻力模式。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)三自由度剛性胸鰭2種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示:融入上下拍翼的升力運(yùn)動(dòng)模式推進(jìn)效率可達(dá)40%,遠(yuǎn)大于阻力運(yùn)動(dòng)模式,在敞水情況下基于升力推進(jìn)能夠產(chǎn)生更大的推力,而靜水中基于阻力推進(jìn)模式能夠產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。文獻(xiàn)[14]通過對(duì)硬骨魚類咽頜運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行活體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的定性觀測(cè),發(fā)現(xiàn)魚類在低速游動(dòng)時(shí)采用阻力模式,而在高速巡游時(shí)采用升力模式。文獻(xiàn)[15]基于二維葉素理論分析了三刺魚游動(dòng)時(shí)胸鰭受到的推進(jìn)力和游動(dòng)效率,發(fā)現(xiàn)基于阻力推進(jìn)模式胸鰭在動(dòng)力行程產(chǎn)生的推力峰值較大,可增強(qiáng)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性,但該模式的推進(jìn)效率范圍約為0.1～0.3,遠(yuǎn)低于基于升力推進(jìn)模式。

由于海蟹游泳足的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都是非常復(fù)雜的,不同操縱方式和運(yùn)動(dòng)條件,游泳足都會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和特征,為此本文對(duì)生物梭子蟹游泳足生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析,建立了剛性游泳足多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型,然后采用數(shù)值計(jì)算和低速水洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)游泳足推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中的水動(dòng)力性能進(jìn)行研究,分析不同游動(dòng)模式及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)游泳足的水動(dòng)力性能的影響。

1 仿海蟹機(jī)器人游泳足模型

1.1 游泳足生理結(jié)構(gòu)

螃蟹是節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱十足短尾亞目動(dòng)物,具有兩棲活動(dòng)能力,可分為淡水蟹和海水蟹[8]。淡水蟹通常不能游泳,而海水蟹中能夠游泳的品種也不多,梭子蟹是這類品種中的一種。它的軀體由頭胸部和腹部?jī)刹糠纸M成,如圖1所示。頭胸部短而扁,被一層甲殼保護(hù),這種盾狀的甲殼,生物學(xué)稱為背甲。軀體兩邊有五對(duì)附屬肢連接,統(tǒng)稱為胸足。第一對(duì)端部呈鉗狀,稱螯足,主要用來捕食和御敵。后面的4對(duì)胸足稱為步足,對(duì)于梭子蟹來說,最后一對(duì)步行足進(jìn)化為扁平的游泳槳的形式,又稱為槳形游泳足。它們常用前3對(duì)步行足的指尖在海底緩慢爬行,用游泳足指節(jié)水翼拍水游動(dòng),或向側(cè)前方前進(jìn),或向側(cè)后方倒退,該生物兼具了海底爬行和水中浮游雙重推進(jìn)方式。

圖1 三疣梭子蟹外形

通過活體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),三疣梭子蟹游泳足生理構(gòu)成與步足基本相同,主要區(qū)別是其前節(jié)和指節(jié)變寬變薄,呈現(xiàn)劃動(dòng)槳的形式。游泳足能夠在水下靈活自如的拍動(dòng),取決于其多關(guān)節(jié)的骨骼結(jié)構(gòu)。單個(gè)游泳足由6個(gè)骨節(jié)組成,從根部到末端依次為基節(jié)、座節(jié)、長(zhǎng)節(jié)、腕節(jié)、前節(jié)和指節(jié)[16]。其中,基節(jié)與胸腔連接構(gòu)成了TC關(guān)節(jié),基節(jié)與座節(jié)連接構(gòu)成了CB關(guān)節(jié),座節(jié)與長(zhǎng)節(jié)連接構(gòu)成了BM關(guān)節(jié),長(zhǎng)節(jié)與腕節(jié)連接構(gòu)成了MC關(guān)節(jié),腕節(jié)與前節(jié)相連構(gòu)成了CP關(guān)節(jié),前節(jié)與指節(jié)相連構(gòu)成了PD關(guān)節(jié),共有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度,而游泳足的運(yùn)動(dòng)是靠?jī)?nèi)部10組肌肉群牽張進(jìn)行控制。其中胸腔內(nèi)包含4組肌肉群,分別為前動(dòng)肌群、后動(dòng)肌群、提肌群和降肌群。前動(dòng)肌群是產(chǎn)生上抬的伸肌,位于胸腔的腹側(cè),后動(dòng)肌群是產(chǎn)生下?lián)]動(dòng)作的屈肌,位于胸腔的背側(cè),一對(duì)肌群協(xié)同作用使基節(jié)繞TC關(guān)節(jié)上下擺動(dòng)。提肌和降肌用來控制座節(jié)繞CB關(guān)節(jié)前后轉(zhuǎn)動(dòng)。長(zhǎng)節(jié)內(nèi)的伸肌群和屈肌群主要控制腕節(jié)繞MC關(guān)節(jié)的左右擺動(dòng)。CP關(guān)節(jié)的前后拍動(dòng)是由腕節(jié)內(nèi)的拉伸肌和彎折肌協(xié)同作用產(chǎn)生。前節(jié)內(nèi)的開肌和閉肌控制PD關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)指節(jié)的上下拍動(dòng)。游泳足的基節(jié)和座節(jié)較步行足發(fā)達(dá),體積更大,其內(nèi)的開肌群生理橫斷面較大,肌纖維數(shù)量多且粗壯(如圖2所示),主要是由于游泳足在拍水過程中,通常使指節(jié)處于展開狀態(tài),以此獲得更大的推力[17]。

圖2 梭子蟹游泳足前節(jié)肌肉組織

1.2 足槳耦合仿海蟹機(jī)器人建模

在對(duì)生物梭子蟹兩棲環(huán)境足槳復(fù)合推進(jìn)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,兼具形態(tài)仿生和功能仿生特點(diǎn),將爬行推進(jìn)技術(shù)(采用前3對(duì)步足推進(jìn))與拍動(dòng)翼技術(shù)(采用游泳足拍水推進(jìn))結(jié)合,設(shè)計(jì)了具有淺灘作業(yè)能力的足槳混合驅(qū)動(dòng)仿海蟹機(jī)器人,如圖3所示。

該機(jī)器人包括3對(duì)步行足、1對(duì)游泳足、嵌入式控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)和能源系統(tǒng)等。機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)和能源系統(tǒng)被包裹到密封艙內(nèi),密封艙外側(cè)安裝了水密接頭,驅(qū)動(dòng)器通過水密電纜與艙內(nèi)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。梭子蟹在游泳過程中,主要利用槳形結(jié)構(gòu)的指節(jié)和掌節(jié)與水作用產(chǎn)生推力,基節(jié)和座節(jié)位于游泳足的根部,是游泳足的主要驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),不能忽略,而座節(jié)與長(zhǎng)節(jié)連接構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)及腕節(jié)與前節(jié)相連的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)擺動(dòng)范圍小,在游泳足運(yùn)動(dòng)中不起決定作用,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中省略。所設(shè)計(jì)的游泳足各骨節(jié)尺寸及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍:基節(jié)長(zhǎng)度為60 mm,TC關(guān)節(jié)搖翼轉(zhuǎn)角范圍-90°≤φTC≤90°;座節(jié)長(zhǎng)度為30 mm,CB關(guān)節(jié)前后拍翼轉(zhuǎn)角范圍-45°≤φCB≤90°;掌節(jié)長(zhǎng)度為120 mm,BP關(guān)節(jié)(將BM、MC、CP 3個(gè)關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為單個(gè)BP關(guān)節(jié))上下拍翼轉(zhuǎn)角范圍-90°≤φBP≤45°;指節(jié)長(zhǎng)度為70 mm,PD關(guān)節(jié)劃動(dòng)翼轉(zhuǎn)角范圍-30°≤φPD≤30°。

圖3 仿海蟹機(jī)器人三維模型

1.3 游泳足運(yùn)動(dòng)軌跡

采用多個(gè)振動(dòng)耦合后的諧振擺動(dòng)方式建立游泳足的運(yùn)動(dòng)模型,定義游泳足搖翼運(yùn)動(dòng)、前后拍水運(yùn)動(dòng)、上下拍水運(yùn)動(dòng)和劃動(dòng)翼運(yùn)動(dòng)均按照簡(jiǎn)諧擺動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。游泳足TC關(guān)節(jié)、CB關(guān)節(jié)、BP關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角位移表達(dá)式如下

(1)式中:φTCC、φCBC、φBPC分別為TC關(guān)節(jié)、CB關(guān)節(jié)和BP關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角平均值;φTCA、φCBA、φBPA分別為TC關(guān)節(jié)、CB關(guān)節(jié)和BP關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的幅值;ΔφBP、ΔφCP分別為TC關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與CB關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和BP關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相位差。

2 數(shù)值模擬

(2)

式中:u為速度矢量;φ為通用因變量;ρ為液體密度;Sφ為廣義源項(xiàng);Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)[12]。

湍流模型選擇RNGk-ε模型。在這個(gè)湍流模型中,把小尺度運(yùn)動(dòng)的影響表示在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)中,從而使其從控制方程中消除。此模型相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[18],k及ε運(yùn)輸方程為

(3)

(4)

2.2 水動(dòng)力參數(shù)

推進(jìn)力和推進(jìn)效率是定量分析游泳足水動(dòng)力學(xué)性能的兩個(gè)重要參數(shù),因此有必要推導(dǎo)這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算公式。在游泳足拍動(dòng)過程中,i軸(i分別代表x、y和z軸)方向上的水動(dòng)力系數(shù)為

(5)

式中:Fi為游泳足拍動(dòng)過程中在i軸方向上產(chǎn)生的水動(dòng)力;S為迎流面積;U為來流速度[12]。

為了獲得游泳足的推進(jìn)效率,應(yīng)計(jì)算系統(tǒng)的輸入功率。輸入功率是指游泳足水翼在拍水過程中因克服水阻力所消耗的功率。根據(jù)能量守恒定律,游泳足轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率通過水對(duì)其做負(fù)功而被水吸收

(6)

式中:Mx、My、Mz為游泳足拍動(dòng)過程中所產(chǎn)生的在機(jī)體坐標(biāo)系的力矩矢量;ωx、ωy、ωz為游泳足3個(gè)基本運(yùn)動(dòng)元素?fù)u翼、上下拍翼、前后拍翼耦合運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致水翼運(yùn)動(dòng)的角速度,其計(jì)算公式為

(7)

式中:α為游泳足TC關(guān)節(jié)軸線與機(jī)體縱軸線之間所夾的銳角。

影響游泳足水動(dòng)力性能的斯特勞哈爾數(shù)Sr[2]表示為

(8)

式中:b為游泳足拍動(dòng)過程中脫瀉尾渦的寬度,近似為游泳足水翼拍動(dòng)的幅度。

3 游泳足水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證游泳足水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算模型的有效性,為進(jìn)一步分析其水動(dòng)力性能做準(zhǔn)備,搭建了游泳足水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)3部分組成,其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)HS-5646WP數(shù)字防水舵機(jī)驅(qū)動(dòng)游泳足各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。測(cè)量系統(tǒng)采用6維力傳感器,分別測(cè)量x、y、z3個(gè)軸方向的力和力矩,所采集到的力數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送到dSPACE半物理仿

(a)低速水洞測(cè)量系統(tǒng)

(b)游泳足水動(dòng)力測(cè)量裝置局部放大圖圖4 低速水洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

真平臺(tái)中進(jìn)行后處理。由嵌入式PC104與舵機(jī)控制板組成游泳足的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉繩拖動(dòng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沿直線導(dǎo)軌勻速滑動(dòng),來模擬水流流動(dòng),移動(dòng)速度可通過控制器調(diào)節(jié),范圍為0.05～1.0m/s。游泳足水翼采用ABS材料通過3D打印技術(shù)制成。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 擺動(dòng)游泳足瞬時(shí)推力、升力

通過對(duì)基于阻力和升力兩種模式推進(jìn)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),在同種推進(jìn)模式下,游泳足采用不同控制參數(shù)拍動(dòng)的瞬時(shí)推力、升力曲線表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律,而不同推進(jìn)模式間的瞬時(shí)推力、升力曲線差異較大。在拍動(dòng)頻率f=1Hz、拍動(dòng)幅度φBPA=30°、來流速度U=0.1m/s的條件下,測(cè)得的兩種推進(jìn)模式水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Fluent數(shù)值仿真結(jié)果所圖5所示。

通過分析瞬時(shí)推力、升力曲線,得到以下結(jié)論。

(1)瞬時(shí)推力、升力系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真結(jié)果總體變化趨勢(shì)一致,且數(shù)值較為接近,因此采用文中數(shù)值計(jì)算方法能夠很好地模擬游泳足的水動(dòng)力性能。實(shí)驗(yàn)和仿真得到基于升力模式的平均推力分別約為1.036N和0.892N,完全可以提供仿海蟹機(jī)器人前游的動(dòng)力。

(2)游泳足拍動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)推力、升力曲線均按簡(jiǎn)諧規(guī)律變化,當(dāng)游泳足擺動(dòng)至行程中間位置附近時(shí),瞬時(shí)推力、升力都達(dá)到峰值,與前人進(jìn)行的機(jī)械胸鰭推進(jìn)水動(dòng)力性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[19]。

(3)基于升力模式推進(jìn)的每個(gè)拍動(dòng)周期存在兩個(gè)正的推力峰值,即游泳足在上拍和下?lián)]過程中均產(chǎn)生了正推力,說明該種推進(jìn)模式尾渦的周期性脫落的影響占了主導(dǎo)地位。水翼在半個(gè)拍動(dòng)周期內(nèi)由于有了2次運(yùn)動(dòng)方向的改變,使得尾渦經(jīng)歷了一次完整的脫落,水翼表面首緣出現(xiàn)負(fù)壓力,水動(dòng)力幅度達(dá)到最大,因此基于升力模式推進(jìn)能夠獲得較高的游動(dòng)效率。

(4)基于阻力模式推進(jìn)的每個(gè)拍動(dòng)周期僅存在一個(gè)正的推力峰值,且幅值大于升力模式,說明該種推進(jìn)模式的推進(jìn)力主要是由游泳足后擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生,且后拍過程中水翼相對(duì)于水流速度和迎流角度都很大,從而使水動(dòng)力大幅度增加,但該種推進(jìn)模式游泳足只在后擺周期對(duì)機(jī)器人做有效功,因此其游動(dòng)效率相對(duì)較低。

(a)升力模式推力系數(shù)曲線

(b)升力模式升力系數(shù)曲線

(c)阻力模式推力系數(shù)曲線

(d)阻力模式升力系數(shù)曲線圖5 游泳足瞬時(shí)推力、升力變化曲線

(a)升力模式平均推力曲線

(b)升力模式平均升力曲線

(c)阻力模式平均推力曲線

(d)阻力模式平均升力曲線圖6 相對(duì)相位φBP對(duì)游泳足水動(dòng)力影響放大

4.2 相對(duì)相位對(duì)游泳足水動(dòng)力影響

圖6所示為當(dāng)φBPA=30°、U=0.1 m/s、φTCA=30°時(shí)得到的ΔφBP對(duì)平均推力Fmx和平均升力Fmz的影響。為了便于對(duì)比分析,進(jìn)行了3組不同拍動(dòng)頻率實(shí)驗(yàn),3組無因次頻率k分別為5、6、7。由圖6可見,在不同拍動(dòng)頻率下,平均推力和升力隨著ΔφBP的變化都呈現(xiàn)一定規(guī)律性,且變化趨勢(shì)一致,每種推進(jìn)模式都存在最佳的ΔφBP,使平均推力、升力達(dá)到最大。分析圖6a可知,游泳足采用升力模式推進(jìn),當(dāng)拍動(dòng)頻率f固定,隨著ΔφBP的增加,平均推力Fmx逐漸增大,在ΔφBP為90°～120°時(shí)Fmx達(dá)到峰值,約為1.54 N,之后又逐漸降低。對(duì)比3組不同頻率的推力曲線可知,隨著拍動(dòng)頻率的增加,滿足Fmx≥0的相位差ΔφBP的范圍逐漸擴(kuò)大,且推進(jìn)效果也得到增強(qiáng)。分析圖6c可知,采用阻力模式推進(jìn),隨著ΔφBP的增加,Fmx先增大到峰值后減小,當(dāng)ΔφBP達(dá)到-90°～-60°之間某一值時(shí),Fmx達(dá)到峰值約為1.12 N。為了獲得最佳推進(jìn)效果,接下來的仿真實(shí)驗(yàn)中升力模式ΔφBP取90°,阻力模式ΔφBP取-90°。

4.3 擺動(dòng)幅度和Sr對(duì)水動(dòng)力性能的影響

圖7分別是兩種推進(jìn)模式的推進(jìn)效率η和平均推力系數(shù)Cmx隨Sr的變化曲線,其中φBPA為10°、20°、30°,f=1 Hz,φTCA=30°。

(a)升力模式

(b)阻力模式圖7 推進(jìn)力和推進(jìn)效率隨Sr的變化趨勢(shì)

由圖7可見:當(dāng)升力模式Sr小于0.3、阻力模式Sr小于0.4時(shí),平均推進(jìn)系數(shù)Cmx基本上都為負(fù)值或者趨于0,此時(shí)沒有產(chǎn)生推力;在相同拍動(dòng)幅度下,兩種模式的Cmx都隨著Sr的增加而增大;當(dāng)Sr固定不變時(shí),Cmx隨著游泳足拍動(dòng)幅度的增加而逐漸降低;推進(jìn)效率η隨著Sr的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),基于升力推進(jìn)模式3種不同拍動(dòng)幅度的推進(jìn)效率η最大值都出現(xiàn)在Sr為0.4～0.6范圍內(nèi),這與魚類尾鰭推進(jìn)的Sr(0.2

4.4 拍動(dòng)頻率對(duì)游泳足水動(dòng)力性能影響

圖8所示為當(dāng)Re=2.75×10-4、φBPA=30°、U=0.1 m/s時(shí),兩種推進(jìn)模式下拍動(dòng)頻率f對(duì)Cmx和η的影響曲線。

圖8 推進(jìn)力和推進(jìn)效率隨拍動(dòng)頻率的變化

由圖8可知,兩種推進(jìn)模式的Cmx隨著拍動(dòng)頻率的增加而增大,與此同時(shí)推進(jìn)效率η呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),近似為拋物線形狀,可見在相同的來流速下,游泳足的拍動(dòng)頻率越高,產(chǎn)生的水動(dòng)力越大。但是,拍動(dòng)頻率并非越高越好,當(dāng)水動(dòng)力隨著頻率的升高而增加的同時(shí),拍動(dòng)游泳足所消耗的輸入功率也隨之增加。因此,存在一個(gè)最佳的拍動(dòng)頻率:升力模式的效率峰值出現(xiàn)在0.75～0.85 Hz之間,約為18.75%;阻力模式的效率峰值出現(xiàn)在0.95～1.05 Hz之間,約為6.78%。在整個(gè)拍動(dòng)頻率范圍內(nèi)升力模式推進(jìn)的效率都高于推力模式,由此可知,推進(jìn)模式對(duì)機(jī)器人的游動(dòng)性能有很大影響[13]。

4.5 水翼厚度對(duì)游泳足水動(dòng)力性能的影響

為研究游泳足水翼厚度對(duì)水動(dòng)力學(xué)性能的影響,設(shè)計(jì)了3種不同厚度的水翼,分別命名為薄翼(TNF)、中厚翼(MDF)和厚翼(THF)。表1所示為3種不同水翼的幾何參數(shù),其中展弦比為游泳足的弦長(zhǎng)和水翼面積的比值,Keef為3個(gè)不同厚度翼的規(guī)范化等效剛度,該參數(shù)通過有限元分析軟件NASTRAN/PATRAN分析獲得,然后相對(duì)于TNF翼型進(jìn)行規(guī)范化處理。

表1 仿海蟹機(jī)器人游泳足水翼特性

為了比較不同厚度水翼的推進(jìn)效率,在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了游泳足拍動(dòng)系統(tǒng)的總功耗,包括機(jī)械損耗、有用功和尾跡損耗3部分,采用伏安法,通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓和電流代入下式獲得游泳足平均功率損耗[21]

(9)

式中:Ui、Ii分別代表驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬時(shí)電壓和電流;Δt為采樣時(shí)間間隔,實(shí)驗(yàn)中采樣頻率設(shè)定為10 Hz;n為一個(gè)拍動(dòng)周期的采樣點(diǎn)數(shù)。

圖9所示為實(shí)驗(yàn)得到的平均推進(jìn)力Fmx隨游泳足拍動(dòng)頻率和平均輸入功率的變化曲線。由圖9a可知,當(dāng)拍動(dòng)頻率固定不變時(shí),兩種推進(jìn)模式的平均推進(jìn)力Fmx都隨著水翼厚度的增加而逐漸降低。當(dāng)水翼厚度不變時(shí),隨著拍動(dòng)頻率的增加,Fmx呈線性增加趨勢(shì),受驅(qū)動(dòng)器本身性能的影響,當(dāng)拍動(dòng)頻率大于1.3 Hz時(shí),游泳足已無法達(dá)到設(shè)定的拍動(dòng)幅值,繼續(xù)增大f,Fmx反而呈下降趨勢(shì)。由此可見,相對(duì)薄的翼可以產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。分析圖9b可知,無論是升力模式還是阻力模式,平均推力曲線斜率隨著水翼厚度的增加而變小,其中TNF翼型的曲線斜率最大,MDF次之,THF斜率最小,可見產(chǎn)生相同的推進(jìn)力,相對(duì)薄的水翼可以減少系統(tǒng)的能量損耗。

(a)推力隨拍動(dòng)頻率變化曲線

(b)推力隨輸入功率變化曲線圖9 游泳足水翼厚度對(duì)水動(dòng)力性能的影響

圖10 不同厚度水翼的能耗比較

為了使結(jié)果看起來更加容易,在此給出當(dāng)游泳足運(yùn)動(dòng)參數(shù)φBPA=30°、f=1 Hz、φTCA=30°時(shí)的歸一化平均功率損耗直方圖,如圖10所示。由圖可見,在兩種推進(jìn)模式下,隨著水翼厚度的增加,系統(tǒng)的能耗都相應(yīng)的增大,在相同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下,TNF翼型與THF翼型相比可降低系統(tǒng)能耗約14.5%。因此,較薄的水翼,不僅可以產(chǎn)生較大的推力,而且還能降低系統(tǒng)的能耗。文獻(xiàn)[22]對(duì)胸鰭推進(jìn)機(jī)器魚水翼厚度對(duì)水動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在回?cái)[階段較厚的水翼壓差阻力比較明顯,隨著水翼厚度的增加,推力系數(shù)和推進(jìn)效率都減小,但是黏性阻力系數(shù)基本保持不變,因此較薄的翼更適合推進(jìn),與本文研究結(jié)論基本一致。

5 結(jié) 論

本文在對(duì)生物梭子蟹的生理結(jié)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,將爬行推進(jìn)技術(shù)與拍動(dòng)翼技術(shù)相融合,設(shè)計(jì)了具有足槳耦合驅(qū)動(dòng)的仿海蟹機(jī)器人,并對(duì)仿海蟹機(jī)器人游泳足推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和低速水洞實(shí)驗(yàn),得到結(jié)論如下。

(1)游泳足采用升力模式推進(jìn),在上拍和下?lián)]過程中均產(chǎn)生了正推力,且下拍過程產(chǎn)生了較大的推力,而采用阻力模式推進(jìn)只在游泳足后擺周期對(duì)機(jī)器人做有效功,因此基于升力模式游動(dòng)效率較高。

(2)平均推力系數(shù)隨著游泳足拍動(dòng)幅度的增加呈下降趨勢(shì),相應(yīng)的推進(jìn)效率也大幅降低,當(dāng)拍動(dòng)幅度為10°時(shí)平均推進(jìn)效率達(dá)到最大。

(3)當(dāng)拍動(dòng)頻率固定時(shí),平均推進(jìn)效率隨著Sr的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),升力模式的推進(jìn)效率η峰值出現(xiàn)在Sr為0.4～0.6范圍內(nèi),阻力模式出現(xiàn)在Sr為0.8～1.0范圍內(nèi),此時(shí)兩者尾渦脫瀉均呈反卡門渦街形式,在尾端形成射流時(shí)使均推力得到增強(qiáng),效率達(dá)到最高。

(4)兩種模式的平均推進(jìn)效率都隨著拍動(dòng)頻率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),升力模式的效率峰值出現(xiàn)在0.8 Hz約為18.75%,而阻力模式出現(xiàn)在1.0 Hz約為6.78%,當(dāng)仿海蟹機(jī)器人處在高速水流環(huán)境下,可通過適當(dāng)提高游泳足拍動(dòng)頻率的方法應(yīng)對(duì)來流阻力影響。

(5)隨著游泳足水翼厚度的減少,平均推力系數(shù)呈明顯增加的趨勢(shì),同時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)總能耗下降,從而導(dǎo)致了平均推進(jìn)效率的增加,因此較薄的水翼更適合仿海蟹機(jī)器人的推進(jìn)。

[1] 王兆立, 蘇玉民, 李彥麗, 等. 非定常流場(chǎng)中機(jī)械胸鰭的水動(dòng)力性能分析 [J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 30(5): 536-541. WANG Zhaoli, SU Yumin, LI Yanli, et al. Hydrodynamic analysis of a mechanical pectoral fin in unsteady flow [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2009, 30(5): 536-541.

[2] 蘇玉民, 張曦, 楊亮. 擺動(dòng)尾鰭水動(dòng)力性能的試驗(yàn)和數(shù)值研究 [J]. 海洋工程, 2012, 30(3): 150-158. SU Yumin, ZHANG Xi, YANG Liang. Experimental and numerical study on hydrodynamic performance of a flapping caudal fin [J]. The Ocean Engineering, 2012, 30(3): 150-158.

[3] LIN Longxin, XIE Haibin, ZHANG Daibing, et al. Supervised neural Q_learning based motion control for bionic underwater robots [J]. Journal of Bionic Engineering, 2010, 7(S1): 177-184.

[4] MOHSENI K. Pulsatile vortex generators for low-speed maneuvering of small underwater vehicles [J]. Ocean Engineering, 2006, 33(16): 2209-2223.

[5] 陳甫, 藏希喆, 閆繼宏, 等. 適合航行的六足仿生機(jī)器人Spider的研制 [J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2011, 41(3): 765-770. CHEN Fu, ZANG Xizhe, YAN Jihong, et al. Development of navigable hexapod biomimetic robot Spider [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2011, 41(3): 765-770.

[6] VAIDYANATHAN R, CHIEL H J, QUINN R D. A hydrostatic robot for marine applications [J]. Robotics and Autonomous Systems, 2000, 30(1): 103-113.

[7] 呂坤, 謝永慧, 張荻. 非正弦振型對(duì)沉浮翼型推力產(chǎn)生的影響 [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 47(9): 55-59. Lü Kun, XIE Yonghui, ZHANG Di. Numerical study of nonsinusoidal motion effect on plunging airfoil propulsion [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2013, 47(9): 55-59.

[8] 楊思涼, 陳惠蓮, 戴愛云. 中國(guó)動(dòng)物志: 無脊椎動(dòng)物(第四十九卷) 甲殼動(dòng)物亞門、十足目、梭子蟹科 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012: 213-260.

[9] SLEINIS S, SLIVEY G E. Locomotion in a forward walking crab [J]. Journal of Comparative Physiology, 1980, 136(4): 301-312.

[10]VIDAL-GADEA A G, RINEHART M D, BELANGER J H. Skeletal adaptations for forwards and sideways walking in three species of decapod crustaceans [J]. Arthropod Structure & Development, 2008, 37(2): 95-108.

[11]BLAKE R W. The mechanics of labriform locomotion: I Labriform locomotion in the angelfish (pterophyllum eimekei): an analysis of the power stroke [J]. The Journal of Experimental Biology, 1979, 82(1): 255-271.

[12]SUZUKI H, KATO N. A numerical study on unsteady flow around a mechanical pectoral fin [J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2005, 15(3): 161-167.

[13]SUZUKI H, KATO N, SUZUMORI K. Load characteristics of mechanical pectoral fin [J]. Experiments in Fluids, 2008, 44(5): 759-771.

[14]LINDSEY C C. Form, function and locomotory habits in fish [M]. New York, USA: Academic Press, 1978: 1-100.

[15]WALKER J A, WESTNEAT M W. Kinematics, dynamics, and energetics of rowing and flapping propulsion in fishes [J]. Integrative & Comparative Biology, 2002, 42(5): 1032-1043.

[16]VIDAL-GADEA A G, BELANGER J H. The evolutionary transition to sideways-walking gaits in brachyurans was accompanied by a reduction in the number of motor neurons innervating proximal leg musculature [J]. Arthropod Structure & Development, 2013, 42(6): 443-454.

[17]VIDAL-GADEA A G, BALANGER J H. Muscular anatomy of the legs of the forward walking crab, libinia emarginata (decapoda, brachyura, majoidea) [J]. Arthropod Structure & Development, 2009, 38(3): 179-194.

[18]WANG Huaming, ZOU Zaojian, TIAN Ximin. Computation of the viscous hydrodynamic forces on a KVLCC2 model moving obliquely in shallow water [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Science, 2009, 14(2): 241-244.

[19]牛傳猛, 畢樹生, 蔡日月, 等. 胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)仿生魚的設(shè)計(jì)及水動(dòng)力實(shí)驗(yàn) [J]. 機(jī)器人, 2014, 36(5): 535-543. NIU Chuanmeng, BI Shusheng, CAI Riyue, et al. Design and hydrodynamic experiments on bionic robotic fish with oscillating pectoral fins [J]. Robot, 2014, 36(5): 535-543.

[20]TRIANTAFYLLOU M S, TRIANTAFYLLOU G S, YUE D K P. Hydrodynamics of fishlike swimming [J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2000, 32(1): 33-53.

[21]TAYLOR G K, NUDDS R L, THOMAS A L R. Flying and swimming animals cruise at a Strouhal number tuned for high power efficiency [J]. Nature, 2003, 425(6959): 707-711.

[22]HU Wenrong. Hydrodynamic study on a pectoral fin rowing model of a fish [J]. Journal of Hydrodynamics: Ser B, 2009, 21(4): 463-472.

(編輯 杜秀杰)

Hydrodynamic Analysis and Experimental Research on Swimming Leg of Crablike Robot

WANG Hailong1,WANG Gang2,CHEN Xi3,WANG Liquan1,JIN Lixing1

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. State Key Laboratory of Autonomous Underwater Vehicle, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150001, China)

A new leg-paddle coupling crablike robot is developed based on the bionic prototype of portunus trituberculatus. The construction with three pairs of walking legs and one pair of swimming legs is adapted for the robot. By the composite propulsion of waking legs and flapping hydrofoil, the robot is endowed with the ability of walking and swimming under water to indicates the characteristics of morphological and functional bionics. Numerical simulations and water tunnel experiments are carried out to obtain the hydrodynamic performance of swimming legs. It is found that both the upstroke and downstroke phases generate propulsive load to lead to much higher propulsive efficiency when the hydrofoil is in the lift-based swimming mode. The average thrust and propulsive efficiency decreases apparently with the increasing flapping amplitude. The relationships between the propulsive efficiency and flapping frequency are like a parabola. The maximum propulsive efficiency of the lift-based swimming mode is achieved at Strouhal number of 0.4-0.6, and the propulsive efficiency reaches the maximum value at Strouhal number of 0.8-1.0 for the drag-based swimming mode. The wake structures of the two modes are characterized by reverse Karman vortex street. Furthermore, the effects of hydrofoil thickness of swimming leg on hydrodynamic performance are investigated, and the results show that the average thrust of much thinner hydrofoil is higher as well as less energy consumption, indicating that thinner hydrofoil is favorable for propulsion performance.

crablike robot; swimming leg; hydrodynamic performance; swimming mode

2014-12-16。 作者簡(jiǎn)介:王海龍(1988—)男,博士生;王立權(quán)(通信作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51409058);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60875067);黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F201205)。

時(shí)間:2015-05-04

10.7652/xjtuxb201508013

TP242

A

253-987X(2015)08-0075-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150504.0900.002.html